(57)【要約】【課題】経済的負担が少なく、摺動面の面粗さが、臨床上必要な摺動機能を損なう程劣化しない人工股関節用骨頭、及び人工股関節を提供すること。【解決手段】  前記課題を解決するための手段は、ジルコニア多結晶体からなり、  摺動面における面積率が０．０１〜１０％であり、大きさが０．２〜５μｍである孔を有することを特徴とする人工股関節用骨頭であり、  ステムと、前記ステムの先端に設けられた前記人工股関節用骨頭とを備えることを特徴とする人工股関節である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニア多結晶体からなり、
摺動面における面積率が０．０１〜１０％であり、大きさが０．２〜５μｍである孔を有することを特徴とする人工股関節用骨頭。
【請求項２】
前記ジルコニア多結晶体は、Ｙ２Ｏ３を含有する部分安定化ジルコニアからなる前記請求項１に記載の人工股関節用骨頭。
【請求項３】
前記ジルコニア多結晶体が、正方晶ジルコニア多結晶体である前記請求項１又は２に記載の人工股関節用骨頭。
【請求項４】
ステムと、前記ステムの先端に設けられた前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工股関節用骨頭とを備えることを特徴とする人工股関節。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工股関節用骨頭、及び人工股関節に関し、特に詳しくは、経済的負担が少なく、摺動面の面粗さが、臨床上必要な摺動機能を損なう程劣化しない人工股関節用骨頭、及び人工股関節に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人工関節の摺動面には金属、樹脂、及びセラミックス等が用いられ、各々の摺動面は、例えば、金属同士、樹脂同士、金属と樹脂、樹脂とセラミックス、セラミックス同士等のように組み合わせて用いられてきた。特に、人工股関節では、金属製の人工股関節用骨頭とポリエチレン製の臼蓋カップとの組合せ、又は、セラミックス製の骨頭とポリエチレン製の臼蓋カップとの組合せで、主に用いられている。
【０００３】
上記したように、人工股関節用骨頭には、従来金属、例えば、ステンレス、チタン合金、又はＣｏ合金が使われてきたが、金属粉による遺伝毒性、例えば、時として発ガン性の問題や、人工股関節用骨頭を受座するポリエチレン（以下、ＰＥと称する場合がある。）製臼蓋カップの摩耗を抑制する為、１９７０年代からアルミナが使われてきた。
【０００４】
しかしながら、アルミナ製の人工股関節用骨頭は、その脆性特性により実用可能な人工股関節用骨頭の径は限られている。この人工股関節用骨頭の径としては、主に、φ２８ｍｍ以上である。特に、日本人のような体型に適した小径、例えば、φ２６ｍｍ又はφ２２ｍｍ、の人工股関節用骨頭としては使用が困難であった。そこで、１９８５年頃から、金属より高精度、すなわち、ポリエチレン製の臼蓋カップの摩耗特性に優れ、アルミナより高強度を有する材質である、ジルコニアが人工股関節用骨頭の材質として臨床使用されてきた。
【０００５】
骨頭の材質として臨床使用されてきたジルコニアの多くは、応力誘起変態強化機能を有する部分安定化ジルコニアである。この部分安定化ジルコニアは、主に部分安定化剤としてＣａＯ、ＭｇＯ、又はＹ２Ｏ３等の希土類酸化物が添加されている。
【０００６】
しかしながら、部分安定化ジルコニア固有の特性として水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態が生じる場合がある。この相変態によって、体積膨張(約３〜５％)を引き起こし、結果として人工股関節用骨頭の表面からの結晶粒子の脱落、引いては人工股関節用骨頭の表面粗さの粗悪化に到る。この人工股関節用骨頭の表面粗さの粗悪化によって、最終的には、人工股関節用骨頭と臼蓋カップとの間の摺動機能が低下し、人工股関節の短命化を辿る場合がある。
【０００７】
表面粗さの粗悪化を防止するための手段として、例えば、変態を引き起こしにくい様に部分安定化剤を増量させることが提案されている。また、表面粗さの粗悪化を防止するための手段として、例えば、「原料粉末の成形体を、その成形体について焼成後の開気孔率が０．１%以下となる温度条件の下限温度から＋１００℃の範囲の温度で１次焼成を行い、熱間等方圧プレス処理を上記下限温度に対して−１０〜＋１００℃の範囲で行い、且つ、セラミックスの平均結晶粒径を０．２μｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の生体用ジルコニアセラミックスの製造方法。」が提案されている（特許文献１  参照）
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３６２９７２号公報
【０００９】
以上のような手段によって、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を起こし難いようにしていた。
【００１０】
しかしながら、上記手段によっても、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を完全に抑制することは困難である。そのため、例えば、人工股関節用骨頭と臼蓋カップとの間の摺動機能に重要な面粗さを損なうことを回避する事は困難である。さらに、多少、水熱劣化による相変態を抑制する効果があるにしても、上記手段、特に、熱間等方圧プレス処理、いわゆるＨＩＰ処理による低温焼成による方法においては、経済的負担が避けられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解消し、経済的負担が少なく、摺動面の面粗さが、臨床上必要な摺動機能を損なう程劣化しない人工股関節用骨頭、及び人工股関節を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記したように、従来は、熱間等方圧プレス処理、いわゆるＨＩＰ処理による低温焼成による方法によって、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を起こし難いようにしていた。しかしながら、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を完全に抑制することは困難である。
【００１３】
一方、表面粗さの粗悪化は、この相変態によって、体積膨張(約３〜５％)を引き起こし、結果として人工股関節用骨頭の表面からの結晶粒子の脱落するという一連の因果関係によって引き起こされるという点に着目した。
【００１４】
本発明者は、表面粗さの粗悪化を防止するという最終的な目的を達成するために、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を起こさないようにする従来技術でなされていたような観点から離れて、技術開発を行うこととした。
【００１５】
本発明は、上記のような、従来技術の問題及び問題発生のメカニズムに着目して、従来技術の問題解決の観点とは、異なる観点から成されたものである。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、ジルコニア多結晶体からなり、
摺動面における面積率が０．０１〜１０％であり、大きさが０．２〜５μｍである孔を有することを特徴とする人工股関節用骨頭であり、
請求項２は、前記ジルコニア多結晶体は、Ｙ２Ｏ３を含有する部分安定化ジルコニアからなる前記請求項１に記載の人工股関節用骨頭であり、
請求項３は、前記ジルコニア多結晶体が、正方晶ジルコニア多結晶体である前記請求項１又は２に記載の人工股関節用骨頭であり、
請求項４は、ステムと、前記ステムの先端に設けられた前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の人工股関節用骨頭とを備えることを特徴とする人工股関節である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る人工股関節用骨頭は、摺動面における面積率が０．０１〜１０％であり、大きさが０．２〜５μｍである孔を有する。まず、人工股関節用骨頭を長時間使用していると、程度の差はあっても、水熱劣化による正方晶から単斜晶への相変態を起こしてしまう。そうすると、この相変態によって、体積膨張を引き起こしてしまう。本発明における孔は、この体積膨張による隣接した結晶同士の衝突を起こさないと推測される。このように、体積膨張による隣接した結晶同士の衝突が起きないので、結晶粒子が脱落することを低減することができる。したがって、結晶粒子が脱落することを低減することができるので、摺動面の面粗さが、臨床上必要な摺動機能を損なう程劣化しない人工股関節用骨頭、及び人工股関節を提供することができる。また、ＨＩＰ処理等の方法を使用しないので、当然ながら経済的負担が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の一例としての人工股関節用骨頭、及び人工股関節を説明する。なお、本発明に係る人工股関節用骨頭、及び人工股関節は、図１に示される人工股関節用骨頭、及び人工股関節に限定されない。
【００１９】
図１に示されるように、人工股関節１は、骨盤２と大腿骨３との間に設けられている。人工股関節１は、臼蓋カップ１１と、人工股関節用骨頭１２と、ステム１３とを備えてなる。
【００２０】
臼蓋カップ１１は、通常、凹形状の部分を有するが、凹形状の部分以外の形状は特に限定されず、配設される部分に応じた形状とすることが好ましい。また、臼蓋カップ１１の大きさも特に限定されず、配設される部分に応じた大きさとすることが好ましい。
【００２１】
図１に示されるように、本発明の一例としての臼蓋カップ１１は、人工股関節用骨頭１２を摺動可能に支持する。臼蓋カップ１１は、例えば、骨盤２側と大腿骨３側との２層構造を有している。臼蓋カップ１１の大腿骨３側の層は、特に制限はないが、例えば、ＺｒＯ２を主成分とする正方晶ジルコニア多結晶体により形成されることができる。
【００２２】
臼蓋カップ１１の大腿骨３側の層は、凹形状を有し、かつ臼蓋カップ１１と人工股関節用骨頭１２とが摺動する臼蓋カップ摺動面１１Ａを有する。
【００２３】
また、臼蓋カップ１１の骨盤２側の層は、例えば、この正方晶ジルコニア多結晶体と生体骨との間で緩衝作用を発揮できる材質により形成されることができる。
【００２４】
緩衝作用を発揮できる材質としては、例えば、有機材料、金属材料、セラミック材料等を挙げることができる。有機材料としては、ポリエチレン、及びポリアセタール等を挙げることができる。金属材料としては、チタン、チタン合金、ステンレス合金、及びコバルトクロム合金等を挙げることができる。セラミック材料としては、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、及び水酸アパタイト（ＨＡＰ）等を挙げることができる。
【００２５】
人工股関節用骨頭１２は、全体として、球形状を有している。また、人工股関節用骨頭１２は、孔を有する。前記孔は、臼蓋カップ摺動面１１Ａと摺動する骨頭摺動面１２Ａにおける面積率が０．０１〜１０％であり、大きさが０．２〜５μｍである。
【００２６】
前記孔の臼蓋カップ摺動面１１Ａと摺動する骨頭摺動面１２Ａにおける面積率が０．０１〜１０％の範囲外であると、本発明の目的を達成することができない。ここで、この面積率は、骨頭摺動面１２Ａにおける単位面積あたりの孔の占める合計面積であり、次式から求められる。
【００２７】
面積率(％)＝(一定面積中の孔数×孔面積×１００)／一定面積
【００２８】
ここで、孔面積が最小孔サイズの場合が最小占有率で、同様に最大サイズの場合が最大占有率となる。面積率を前記範囲内にするには、焼成工程にＨＩＰ（熱間等方圧加圧成形）処理せずに常圧焼成のみで結晶粒径が０．２〜５μｍとなる焼結体を製造すればよい。
【００２９】
また、前記孔の大きさが０．２〜５μｍの範囲外であると、本発明の目的を達成することができない。孔の大きさを前記範囲内にするには、焼成工程にＨＩＰ（熱間等方圧加圧成形）処理をせずに常圧焼成のみで結晶粒径が０．２〜５μｍとなる焼結体を製造すればよい。
【００３０】
なお、図１に示されるように、人工股関節用骨頭１２は、ステム１３を嵌め込むことができる穴１２Ｂが形成されている。人工股関節用骨頭１２は、ジルコニア多結晶体で構成されていればよいが、正方晶ジルコニア多結晶体からなることが好ましい。
【００３１】
人工股関節用骨頭１２が正方晶ジルコニア多結晶体から成る場合に、この正方晶ジルコニア多結晶体は、ＺｒＯ２を主成分とし、ＡｌをＡｌ２Ｏ３換算で０．０１〜３．０質量％、好ましくは０．０１〜２．５質量％、より好ましくは０．０１〜２．０質量％、更に好ましくは０．０５〜２．０質量％、特に好ましくは０．０５〜１．５質量％含有することが望ましい。このＡｌは、正方晶ジルコニア多結晶体中においてどのような化合物として含有されていてもよく、また、含まなくてもよい。
【００３２】
このＡｌの化合物としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３や、他の元素（Ｚｒや、その正方晶ジルコニア多結晶体に含有される元素等）との複酸化物等が挙げられ、通常、Ａｌ２Ｏ３として含有される。このＡｌを含有することにより、耐摩耗性が効果的に向上すると共に、生体内において正方晶ジルコニア多結晶体が単斜晶に相転移することを効果的に抑制できる。更に、機械的強度及び靭性を向上させることもできる。
【００３３】
Ａｌの含有量が０．０１質量％未満であるとＡｌを含有する効果が発揮され難くなり、３．０質量％を超えて含有すると却ってアルミナ基焼結体に対する耐摩耗性が低下する場合がある。
【００３４】
また、この正方晶ジルコニア多結晶体を構成するＺｒ及びＡｌを除く他の成分は特に限定されず、Ｙ、Ｍｇ、Ｃａ等の元素のうちの１種又は２種以上を含有することができる。
【００３５】
これらの元素は例えば酸化物として含有され、ＺｒＯ２の安定化剤として機能することができ、通常、これらのうち少なくともＹが含有される。前記正方晶ジルコニア多結晶体は、Ｙ２Ｏ３を含有する部分安定化ジルコニアからなることが好ましい。ここで、ＹはＹ２Ｏ３換算で正方晶ジルコニア多結晶体中に４．０質量％以上、より好ましくは４．５質量％以上、通常６．０質量％以下含有されることが好ましい。
【００３６】
このＹは、正方晶ジルコニア多結晶体中においてどのような化合物として含有されていてもよい。この化合物としては、例えば、Ｙ２Ｏ３や、他の元素（Ｚｒ、Ａｌ、その正方晶ジルコニア多結晶体に含有される元素等）との複酸化物等が挙げられ、通常、Ｙ２Ｏ３として含有される。Ｙが含有されることによりＺｒＯ２の相転移を抑制できる。特に４．５質量％以上含有されると、生体内の水系環境におけるＺｒＯ２の相転移を効果的に抑制できる。一方、４．０質量％未満であるとＺｒＯ２の相転移を抑制する効果が十分に得られ難くなる傾向にある。
【００３７】
以上、説明した人工股関節用骨頭１２は、以下のような手順で製造する。まず、原料粉末として、ＺｒＯ２等の他に、ＣａＯ、ＭｇＯ、又はＹ２Ｏ３等を使用する。
【００３８】
上記した混合物を、例えば、ボールミルを用いて、アルコール、例えば、エタノールを媒体として混合し、所定時間、湿式混合粉砕を行う。なお、エタノール以外にも、アセトン、メタノール、水等を使用しても良い。
【００３９】
上記した湿式混合粉砕で得られたスラリーを、湯煎し、乾燥し、混合粉末を得る。乾燥の方法としては、自然乾燥、熱風による乾燥、スプレードライ等が挙げられる。
【００４０】
上記した混合粉末の乾燥後、この混合粉末を、例えば、金型に充填し加圧成形し、又は必要に応じ、その後ＣＩＰ(冷間等方圧加圧成形)し、所定の形状に生加工し、焼成を行う。この焼成は、例えば、大気中、常圧、温度１４００〜１５５０℃で熱処理して行う。以上のようにして、上記した孔が形成される。
【００４１】
一方、ステム１３は、材質、形状、及び大きさに制限はなく、人工股関節用骨頭１２の材質、形状、及び大きさに応じて適宜選択可能である。前記ステム１３の先端が、人工股関節用骨頭１２に形成された穴１２Ｂに、はめ込まれている。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものでは無い。
【００４３】
（実施例）
本発明の実施例に係る人工股関節用骨頭は、以下のような手順で製造した。まず、原料粉末として、ＺｒＯ２の他にＹ２Ｏ３を使用し、混合した。原料粉末全体に対して、ＺｒＯ２の粉末は、９４質量％であり、Ｙ２Ｏ３は、４．９質量％であった。
【００４４】
上記した混合物を、ボールミルを用いて、水を媒体として混合し、所定時間、湿式混合粉砕を行った。
【００４５】
上記した湿式混合粉砕で得られたスラリーを、スプレードライヤーにより乾燥させ、混合粉末を得た。
【００４６】
上記した混合粉末の乾燥後、この混合粉末を、金型に充填し加圧成形後、ＣＩＰ(冷間等方圧加圧成形)し、所定の形状に生加工し、焼成を行った。この焼成は、大気中、常圧、温度１５００℃で熱処理して行った。以上のようにして、実施例に係る試料を得た。製造条件及び評価結果を以下の表１に示す。
【００４７】
（比較例）
比較例に係る人工股関節用骨頭は、以下のような手順で製造した。まず、原料粉末として、ＺｒＯ２の他にＹ２Ｏ３を使用し混合した。原料粉末全体に対して、ＺｒＯ２の粉末は、９５質量％であり、Ｙ２Ｏ３は、５．０質量％であった。
【００４８】
上記した混合物を、例えば、ボールミルを用いて、水を媒体として混合し、所定時間、湿式混合粉砕を行った。
【００４９】
上記した湿式混合粉砕で得られたスラリーを、スプレードライヤーにより乾燥させ、混合粉末を得た。
【００５０】
上記した混合粉末の乾燥後、この混合粉末を、金型に充填し加圧成形後ＣＩＰ(冷間等方圧加圧成形)し、所定の形状に生加工し、焼成を行った。この焼成は、大気中、常圧、温度１３００℃で熱処理して行った。次いで、Ａｒガス中、１５０ＭＰａ、１４００℃でＨＩＰ（熱間等方圧加圧成形）処理を施した。以上のようにして、比較例に係る試料を得た。製造条件及び評価結果を以下の表１に示す。
【００５１】
【表１】
2006181255.tif 000003
【００５２】
表１における加速劣化試験後の表面状態は、オートクレーブ(１２１℃×７２ｈｒ保持)による加速劣化試験後にＨＩＰシミュレーター(最大負荷荷重２５０ｋｇｆ×１００万回サイクル)による摺動試験を実施した後に評価した。評価方法は、表面相変態量及び表面粗さを測定する方法である。
【００５３】
表１における表面相変態量は、表面の単斜晶量を測定することにより評価される。単斜晶量を測定する方法としては、Ｘ線回折ピークの積分強度を測定し、以下のような式（１）により計算することにより、行った。なお、加速劣化試験を行う前の表面の単斜晶量の測定も同様にして行った。
【００５４】
【数１】
2006181255.tif 000004
【００５５】
上記式（１）における各項は、以下のとおりである。
Ｉｍ（ｘｙｚ）  ：ミラー指数（ｘｙｚ）の単斜晶のＸ線回折ピークの積分強度
Ｉｔｃ（１１１）：ミラー指数（１１１）の正方晶と立方晶のＸ線混合回折ピークの積分強度
【００５６】
表面粗さの測定は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に従って、行った。
【００５７】
なお、加速劣化試験を行う前の実施例に係る人工股関節用骨頭の表面状態を図２に示す。また、加速劣化試験を行う前の比較例に係る人工股関節用骨頭の表面状態を図３に示す。
【００５８】
表１によれば、表面に孔を有する人工股関節用骨頭である実施例は、表面に孔のない人工股関節用骨頭である比較例と比較して、表面粗さの悪化の度合いが小さいことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の一例としての人工股関節用骨頭、及び人工股関節を示す概略図である。
【図２】図２は、実施例に係る人工股関節用骨頭の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図３】図３は、比較例に係る人工股関節用骨頭の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００６０】
１    人工股関節
１１    臼蓋カップ
１１Ａ    臼蓋カップ摺動面
１２    人工股関節用骨頭
１２Ａ    骨頭摺動面
１２Ｂ    穴
１３    ステム
２    骨盤
３    大腿骨
【図１】
2006181255.tif 000005
【図２】
2006181255.tif 000006
【図３】
2006181255.tif 000007